索尼:基于氮化镓的蓝绿光VCSEL,有望加速AR眼镜普及

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一提起VCSEL光学技术,你可能最先想到iPhone等苹果设备的Face ID人脸解锁技术,这项功能通过VCSEL芯片来实现3D人脸识别。实际上,VCSEL是一种红外线激光技术,它早在上世纪80年代就已经出现,1996年已商业化,而直到苹果将其应用于移动设备中(iPhone的激光雷达模组就包含VCSEL芯片),这项技术才再次在主流市场得到广泛使用。

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据了解,VCSEL全称为“vertical-cavity surface-emitting laser”,中文翻译为垂直腔面发射激光器,除了移动设备外,还可以应用于机器人、无人机、AR/VR(3D手势识别)等设备。

目前,市面上商业化的VCSEL产品仅限于红外激光和红光激光方案,如果可以扩大VCSEL的光谱范围,实现蓝光、绿光,将有望带来更多应用场景,比如用于AR/VR、投影系统的RGB显示和照明模组等。因此,索尼近年来持续在探索可见光范围内发射蓝光、绿光的VCSEL技术,并于近期公布了一种采用曲面谐振腔反光镜的方案,具有蓝绿显示、光和电效率高等特点。

将VCSEL技术用于移动显示屏

索尼表示:从40多年前开始,索尼就一直从事半导体激光技术的研究与开发,最初是将激光应用于CD、DVD和蓝光光盘。通常,半导体激光技术分为边射型激光(EEL)和垂直腔面发射激光(VCSEL)两种,其中EEL发射的光线与半导体晶圆表面平行,而VCSEL发射的激光则与晶圆衬底垂直,后者更容易通过平面工艺来设计大规模发光阵列。

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从2000年开始,索尼团队开始专注研发VCSEL技术,与EEL技术相比,VCSEL的优势在于尺寸更紧凑,功耗更低,更容易实现二维排列。索尼认为,VCSEL可用于AR眼镜等可穿戴设备的显示系统,有助于缩小设备的体积,降低功耗。

不过,在可见光范围内发射蓝光、绿光的VCSEL技术难以开发,目前市面上还没有商业化的蓝、绿VCSEL芯片。为了改变这一现状,索尼希望通过独特的结构设计来实现蓝光、绿光VCSEL,目的是探索激光的更多应用场景,比如紧凑、轻量化的移动显示系统等等。

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此外,利用VCSEL的二维排列优势,可提升光源的输出功率,将VCSEL应用于超大型投影系统,或是汽车前照灯(可像显示器一样可控制照明模式)。索尼认为,优化的VCSEL技术将有望带来进一步的技术创新和应用。

值得注意的是,索尼认为VCSEL将有望成为移动显示屏的关键技术,尤其是在PS VR、Google Glass等AR/VR穿戴式设备的应用,正逐渐受到人们关注。目前,AR/VR头显技术发展受到产品体积、显示技术等方面限制,常见的AR/VR显示系统体积大而且耗电,需要使用大容量电池(进一步增加AR/VR头显体积)。因此为了解决这些问题,我们需要一种适用于紧凑型、低功率移动显示屏的超小型低功率激光模组。

索尼表示:我们正在开发的VCSEL技术可以将设备体积和功耗降低十倍以上,甚至有望将光源和电池集成在眼镜形态的设备中。而且,索尼的VCSEL可发射RGB可见光线,意味着真正轻量化的AR/VR穿戴设备将成为现实,而且这种光学方案还可以应用于多样化的移动显示系统。

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除此之外,VCSEL也可以提升AR/VR视网膜显示的安全性。当VCSEL在大功率情况下运行时,它可以限制光线的输出功率,因此在视网膜投影等光学方案中,VCSEL可以限制显示屏的亮度,避免光线伤害视网膜。

特殊的“曲面镜”结构

那么从原理和结构来看,索尼研发的VCSEL方案到底有哪些独特之处?

据青亭网了解,通常近红外(波长区域在800到1000纳米之间)VCSEL模组采用砷化镓(GaAs)基底,而索尼的VCSEL基于氮化镓(GaN)材质,结构则采用“曲面镜”设计,不仅可以将光线集中在中心,还可以通过离子注入技术来集中电流。

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索尼指出,提升VCSEL方案的性能,需要满足三个条件:1)反射镜需要具备高反射率、高散热效率、高导电性;2)有源层可输出大量光线;3)高效的光学结构,可将光线和电集中到设备的中心部位。

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实际上,红外VCSEL的砷化镓基底具有晶体外延生长特性,可满足上述三个条件,其结构可以将光和电有效集中到设备中心(光学元件中心未氧化,具有透镜效果,用于集中光线,而氧化部分绝缘,因此电流也可以集中在中心部分)。

尽管如此,基于砷化镓的VCSEL难以显示完整的RGB可见光,因此索尼在VCSEL结构中采用了氮化镓基底(通常用于蓝、绿色光源)。索尼表示:我们已经具备制造高性能氮化镓发光层的工艺,这是此前研发蓝光半导体激光技术时获得的经验。

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在2015年时,索尼就首次展示基于氮化镓的VCSEL方案,当时其VCSEL结构中采用了平面镜。索尼发现,平面镜很难通过限制光束来提升效率,于是在2016年时,决定采用透镜外观的曲面镜,取代原来的平面反光镜,曲面镜的特性可以更好的将光线集中在设备中心,这与此前的VCSEL结构有很大不同。

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索尼表示:采用曲面镜的灵感来自于实验室中常用的工具——光纤。我们知道,光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维,光在纤维中以全反射的形式进行传播。当具有渐变折射率(GI)的光纤,其折射率以抛物线分布时,它不仅可以传导光线,还可以将光反射回光纤的核心,也就是说光纤弯曲时也可以防止漏光。

于是,为了模拟渐变折射率光纤的光学特点,索尼在VCSEL结构中也采用抛物透镜作为反光镜。据悉,利用多年来积累的技术经验,索尼的成像传感团队帮助研发团队一起,在硅基晶圆上制造VCSEL半导体的透镜。

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图中的近红外VCSEL结构:有源层(active layer)位于两个反射镜之间,这两个反射镜的反射率可达99%或以上,通常又称为分布式布拉格反射镜,它们由各种不同折射率的材料交叠而成。当有源层发射的光线在两个反射镜之间来回反射时,会产生激光共振。

用于可穿戴设备和定位系统

索尼预计,未来如果蓝光、绿光VCSEL技术投入使用,其应用场景将包括高亮度投影仪、AR/VR眼镜等设备的显示系统,或是应用于照明、机械加工、医疗保健等更多样化领域。随着可见光VCSEL的应用,也极有可能促进智能眼镜的普及。

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此外,优化的VCSEL技术也有望进一步提升GPS等定位系统的准确性,比如紫外光VCSEL​可用于高精度地面时钟,将GPS定位(因时间差减少)的精度可从几米提升至至几毫米。参考:索尼

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